JPH05504823A - 加熱および冷却システムの改良 - Google Patents
加熱および冷却システムの改良Info
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
発明の名称
加熱および冷却システムの改良
発明の分野
この発明は、加熱および冷却システムの改良に関するものであり、特に空調およ
び冷却システムの改良に関するものである。
最近の窒謂システムの開発では、冷却および/または加熱すべき流体と熱交換関
係にある蒸発器および復水器をそれぞれ宵するモジュール式冷凍ユニットが利用
されるようになっている。モジュール式システムを用いる場合、各冷凍ユニット
には、熱交換流体の供給と還流のためのヘッダーが設けられている。複数の冷凍
ユニットは平行に連結され、熱交換流体は、各蒸発器および復水器による熱交換
器を通って循環する。
このようなモジュール式システムの制御によって、各冷凍ユニットをシステム上
の負荷にしたがって操作することができる。このようにして、負荷が高い場合は
、すべての冷凍ユニットが、最大の加熱および/または冷却能力を与えるように
働く。負荷が小さくなると、冷却ユニットは、負荷を減らすことができ、あるい
は操作を止めることができ、これによって、システムの操業費を低減し、且つ必
要のないユニットを休ませることができる。
発明の背景
モジュール式冷凍システムによって、従来のシステムの多くの欠陥、特にシステ
ムの破損およびシステムの拡張に関する欠陥を克服することができる。また、モ
ジュール式システムは、特定の時点における負荷に必要な冷凍ユニットのみを操
作することができるという点で、かなりの節約を可能にする。従って、不必要な
冷凍ユニットを作動させず、あるいは、最適のピーク操業能率以下でユニットを
作動させるという点で動力の節約となる。
しかし、モジュール式の加熱および/または冷却システムを用いた場合5通常、
水を使用する加熱および/または冷却熱交換流体は、この熱交換流体を冷凍ユニ
ットのそれぞれに供給する熱交換流体マニホルドを通過する。従って、両方の熱
交換流体、即ち、各冷凍ユニットの蒸発器および復水器を通って流れる熱交換流
体に必要なポンプ容量は、必然的にすべての冷凍ユニットを通じて流れる流体の
供給のためのポンプ容量であることになり、できれば、冷凍ユニット数および/
または負荷要件の双方に関して、システムの拡張を可能にするよう、これよりも
大きい容量であることが望ましい。
先行技術
McFarlanに付与された米国特許& 2.935.857は、それぞれ蒸
発冷却器と復水器を有する2個の別個の冷凍システムを有する空調システムを開
示している。復水器は加熱水回路中で平行に連結されており、一方、蒸発器は冷
却水回路中で平行に連結されている。蒸発器への水の取入口には弁が挿入されて
おり、復水器への水の取入口にも別の弁が挿入されている。
システムは、冷凍システムの停止と始動を行う制御装置を介して操作される。水
弁も制御装置によって開閉される。
復水器からの熱水と蒸発器からの冷水は、空調を行うべき空間のさまざまなゾー
ンのそれぞれに設けられた加熱/冷却ユニットに向かって流れる。水は、1本の
共通の還流ラインを通って還流し、これは復水器に向かって流れ、余剰分があれ
ば、分散ウェルに行く。
水は別個のウェルから蒸発器の水回路に供給される。
このシステムによって、2個の冷凍システムのうちの1個は軽い負荷条件で作動
し、他方の冷凍システムの蒸発器への水の流れは遮断される。これによって、冷
凍システムへの作動が若干節約されるが、水圧に変動が生じ、その結果、システ
ム全体としての水の流れと温度勾配が変化する。
加熱および/または冷却システムを通じての水圧差と水の流れがほぼ一定に保た
れるような加熱および冷却システムを提供することが望まれている。
また、複数の冷凍ユニットを有し、各ユニットの復水器および/または冷却器を
通じて流れる熱交換流体の流れが、そのユニットの作動状態に応じて変化するよ
うなモジュール式冷凍システム用の改良された加熱および/または冷却システム
を提供することが望まれでいる。
また、システムを通じて流れる熱交換流体の流れを低減させることによって、最
大能力以下で操業する場合に、モジュール式冷凍システムによって消貸される動
力を最適化することも望まれている。
さらに、作動していないモジュール式ユニットの熱交換器を通じて流れる熱交換
流体の流れを低減させ、同時に加熱および/または冷却システム全体を通じてほ
ぼ一定の圧力差を保つことも望まれている。
発明の要旨
この発明によれば、下記からなる加熱および/または冷却システムが提供される
。即ち、複数のモジュール式冷凍ユニット。各冷凍ユニツトは、少なくとも1個
の圧縮手段、1個の蒸発熱交換器および復水熱交換器を有する。第1熱交換流体
を移送するための各ユニットに設けられた供給および還流マニホルド手段。マニ
ホルド手段は、隣接するユニットのマニホルド手段に連結されている。供給およ
び還流流体導管手段は、各ユニットのそれぞれ供給および還流マニホルド手段と
、それに関連する蒸発熱交換器との間に伸びていて、蒸発熱交換器が相互に連結
されたマニホルドを横切って平行に連結されるようになっている。第1熱交換流
体のためのポンプ手段。前記ポンプ手段には、第1熱交換流体の流れを変化させ
るための手段が含まれる。および、少なくとも1個の供給および還流流体導管手
段を、選択的に閉鎖するための弁手段からなっている。
できれば、ポンプ手段は、システムを通じて第1熱交換流体を循環させる速度可
変もしくは容量可変なポンプであることが望ましい。ある特定の配置においては
、それぞれの継続時間の操作を制御する制御手段が、還流水温度、空調帯域温度
、室温などの変化を通じて、負荷条件の変化を判定し、負荷条件に従って各ユニ
ットの作動を制御する。負荷が減少すると、各冷凍ユニットは停止される。ある
ユニットの圧縮手段の作動が停止されると、そのユニットと関連する弁手段が、
流体導管手段を閉じて、蒸発熱交換器の、残りの熱交換との平行な連結が断たれ
る。これによって、供給マニホルドと還流マニホルドとの間の圧力差に変化が生
じる。圧力変化が感知され、ポンプ手段に変化が与えられて、圧力差を所定の水
準に戻す。
速度可変または容量可変のポンプ手段を使用することによって、ポンプ手段のた
めの所要動力は、システム負荷の低減時に減らすことができる。かくして、負荷
が減少し、モジュール式ユニットが休止状態になると、これらの休止中のユニッ
ト上の弁手段は選択的に閉じられ、これによって、熱交換流体に対するその熱交
換器を閉じる。この時、ポンプ手段に供給される動力も、回路中の熱交換器の数
の減少の結果として生じるポンプ負荷の減少によって減少する。
この発明の1つの実施態様においては、弁手段は、各ユニットの還流導管手段上
に設けられた弁からなる。この発明の他の実施態様においては、弁手段は供給お
よび還流導管手段の両方もしくは何れかに設けられた蝶型弁からなる。
この発明の特に望ましい実施態様においては、第1および第2の供給および還流
マニホルド手段が、モジュール式ユニットの蒸発熱交換器および復水熱交換器の
双方用に設けられている。マニホルド手段は、例えば、Viclaulic社製
のもののように、各端に取外し可能な管継手を設けた、各ユニット上に取り付け
られたヘッダー管からなり、これによって、隣接するユニットのへ7グー管を連
結することができる。供給および還流導管手段は、それぞれの供給および還流ヘ
ンダー管に連結されて、供給へ・ラダー管から、供給導管、熱交換器および還流
導管を経て還流へラダー管に至る流路を形成する。
弁手段は、還流へラダー管中に位置することが望まλ しく、作動すると、還流
導管を還流へラダー管と接続する箇所で閉鎖する。この発明の1つの実施態様で
は、弁手段は、還流導管の還流へラダー管への入口を閉へ 鎖するための弁頭、
直径方向に、ヘッダー管の反対側り のシールを経て、その上にある圧力室にま
で延びる弁心棒の端部上に設けられたピストン、および、供給へダーから圧力室
まで延びる抽気ラインを有し、これによって、供給ヘッダー管からの加圧流体は
、ピストン頂部に当たって弁を閉鎖位置に移動させることができる。抽気ライン
中の空気圧、油圧または電動の弁が、供給ヘッダーから圧力室への流体の流れを
制御する。
この配置によれば、圧力油気ラインーヒの比較的小型の電動、空気圧または油圧
の弁の操作によって、供給へラダー管からの加圧流体を使用して、還流導管を閉
じるための弁を作動させることができる。この弁は、電動、空気圧または油圧の
弁手段を閉じることによって開放することができ、これによって、還流導管内の
流体の圧力で、弁頭を弁座から移動させることができこの発明がさらに十分に理
解されるように、その実施態様を、添付図面を参照しながら説明する。
図面の説明
第1図は、この発明のシステムの操作を示す流体回路図である。
第2図は、第1図のシステムの電気制御を示す略図第3図は、蒸発器および復水
器の双方のための供給および還流ヘッダー管を有する1個のモジュール式冷凍ユ
ニットを示した略図である。
第4図は、第2rXJの供給および還流ヘッダー管およびサーボ弁を示した略図
である。
第5図、は、第3図のものと類似しているが、弁の形が異なるものの図である。
好ましい実施態様の説明
WIIliUには、水を冷却するための複数の冷凍ユニット42が用いられてい
る冷却システムが示されている。
水は、循環ポンプ41によって、冷水回路40を通って循環するようになってい
る。冷却された水は、負荷部43を通って流れる。負荷部43は、空調システt
1中の冷水コイルからなるものでもよい。ポンプ41は、速度可変のポンプで、
給水ライン8中に位置している。給水ライン8と還流ライン22との間には、冷
凍ユニット42のそれぞれに関連する蒸発熱交換器12が平行に連結され復水回
路は、復水ポンプ14を有し、復水ポンプ14は、それぞれ給水ライン17およ
び還流ライン18を横切って平行に連結された蒸発熱交換器16に水を供給する
。
復水は、水塔19を通って循環し、水塔19では、通常の方法で、空気流および
蒸発によって冷却される。
各冷凍ユニット42は、少なくとも1個のコンプレ・/サー21を含んでいる。
コンプレッサー21は、蒸発器および復水器を組み込んだ冷凍回路23を通じて
冷媒を循環させる。
各蒸発熱交換器12および各復水熱交換器I6からの水運流ラインのそれぞれに
遮断弁24が接続されている。
弁24は、適当な任意の形態ものでよいが、図示された実施態様においては、弁
はサーボ弁であって、それぞれ蒸発器給水ライン26または復水器給水ライン2
0から抽気された加圧水によって作動される。油気水は、油気管27を通って流
れ、それぞれのコンプレッサー2Iと連動して作動されるソレノイド弁28によ
って制御され圧力差センサー31は、冷水回路40および復水回路15の両方に
接続されて、それぞれの給水ライン8、I7と還流ライン22.18との間の圧
力差を感知する。圧力差センサー31は、それぞれのモーター速度制御装置32
に信号を送り、モーター速度制御袋ff132は、それぞれのポンプ41および
14の速度を変えて、所定の圧力差を維持するようになっている。
第2図においては、冷水循環ポンプ41および復水ポンプ!4のために、3相電
源33が設けられている。各モーター速度制御装置32はインバーターであり、
これは、それぞれの圧力差センサー31からの信号に応じてそれぞれのポンプに
供給される電流の周波数を変化させ、それによってポンプ速度を変化させ、そし
て、それぞれの回路中の水の流量を変化させる。その結果、それぞれの給水ライ
ンおよび還流ライン18.17および22.18の間の圧力差が変化する。
また、システムには、マスター制御装置34を紐み込んだ制御回路が含まれてい
る。これは、所要負荷、ユニット作動時間、故障診断、保守スケジュール等のさ
まざまな要因に従って、冷凍ユニット42の動作を制御する。負荷の変化を検出
するために、適当な測定装置36を用いて、給水ライン8と還流ライン22の中
の冷却水の温度が測定される。各コンプレッサー21は、コンプレッサー接触器
37によって制御される。コンプレッサー接触器37は、外部お制御装置38を
介して24Vの給電を受ける。外部制御装置38は、感知された負荷条件および
所定のシステムパラメーターに応じて、マスター制御装置34から制御信号を受
け取る。それぞれのユニット42に設けられた各サーボ弁24のためのソレノイ
ド弁28も外部制御装置38によって制御されて、コンプレッサー接触器37に
通電されると、関連するソレノイド弁28の通電が断たれ、逆にコンプレッサー
接触器37の通電が断たれると、関連するソレノイド弁に通電される。
全負荷の場合には、各冷凍ユニット42が作動し、冷水は各蒸発熱交換器12を
通って流れる。負荷が減少すると、冷水供給および還流ライン8および22中の
冷水の温度が変化して、マスター制御装置を介して、外部:M御装置38の1つ
を作動させて、コンプレッサー21の2 通電を切る。同時に、関連するソレノ
イド弁28が通電され、これによって、それぞれの還流ライン22および18中
の遮断弁24が作動して、蒸発熱交換器】2および復水熱交換器16のそれぞれ
を通じて流れる水の流れが妨げられる。次いで、圧力差センサー31が、1個も
しくはそれ以上の熱交換器が水回路から除外されたために生じた、それぞれの供
給ラインと還流ラインの間の圧力差の変動を検出する。圧力差センサー31は、
それぞれのモーター速度制御装置32に信号を送り、これによって、それぞれの
ポンプ41および14の速度を変化させて、ポンプ速度、即ち、それぞれの回路
中の水の流量を減少させ、これによって圧力差を所定の値に減少させる。
弁および速度可変ポンプの組合せによって、システムが全負荷よりも低い負荷で
操業されている場合の電力消費量を大幅に低減することができる。さらに、サー
ボ作動弁を使用することによって、このような弁の操作のための所要電力を最低
限度まで低減することができる。
第3から5図には、蒸発器および復水器を含む平行な冷凍通路23を有する1対
のコンプレッサーユニット114を取り付けたハウジング112からなるモジュ
ール式冷凍ユニットが示されている。蒸発器は、1個の共通の蒸発熱交換器12
中に位置しており、一方、復水器は、1個の共通の復水熱交換器16中に位置し
ている。
蒸発熱交換器は、供給ヘッダー管118から熱交換器12を経て、還流へラダー
管119に向かって流れる水を冷却するのに用いられる。供給導管12+が、供
給ヘッダー管118を蒸発熱交換器I2に連結しており、一方、還流導管122
が還流ヘンダー管119と接続している。
同様に、それぞれ供給および還流ヘッダー123および124から、復水熱交換
器■6に水が供給される。
空調システム中では、複数のモジュール式冷凍ユニット42が平行に連結されて
いて、冷却器からの水および復水器からの水が、システム中の各ユニットの蒸発
熱交換器12および復水熱交換器16のそれぞれを通って循環する。上述したよ
うに、マスター制御装置34が、システムにかかる負荷に応じて、任意に時点に
おいて作動している冷凍ユニット42の数を制御する。冷却器の水を所望の温度
に維持するのに働くユニットの数は、負荷が減少すると低減され、それぞれのユ
ニットは、このような所望負荷の低下に従って停止される。
同様に、負荷が増加すると、マスター制御装置34は、所望の冷却器水(または
加熱水)温度を維持するのに必要な程度に応じて、ユニットを作動させる。
ある1個のモジュール式ユニット42が停止されると、蒸発熱交換器12および
復水熱交換器16への冷却水および/または加熱水の供給および/または還流を
閉鎖、遮断するためlこ、1個もしくはそれ以北の弁を作動させる。第3および
4図に示す実施態様においては、還流導管122に作用するように、還流ヘッダ
ー管119中に弁126が設けられている。復水還流導管127に作用するよう
に、復水還流ヘッダー管124の中にも同様の弁が設けられている。
弁126は、ヘッダー管119の外側に位置する圧力室128、還流ヘッダー管
119中のシール131を通る弁心棒129、圧力室中の弁心棒129の端部上
のピストン132、弁心棒129の他方端上の弁頭(33からなり、弁頭は、還
流導管122への開口部を閉鎖するのに十分な寸法を育している。圧力抽気管1
34は、供給ヘッダー管118から圧力室128に達していて、圧力室128へ
の供給流体の抽気を行い、かくして、第4図中に実線で示すように、ピストン1
32が弁頭133を密閉位置に移動させる。圧力抽気管134には、通常は閉じ
ているソレノイド作動弁]36が取り付けられており、これが抽気管134を閉
鎖する。
モジュール式ユニット42の復水器側にも、同様の弁が配置されている。
通常の操作では、モジュール式冷凍ユニットが作動状態にあり、コンプレッサー
114が作動している場合は、ソレノイドは停止しており、従って、圧力抽気管
134は閉じている。還流導管122中の冷却器水および還流スプリングの圧力
は、弁頭133を弁座から移動させるのに十分であり、これによって、第4図中
の1点鎖線で示すように、還流導管122は、還流へラダー管119に向かって
開く。同様に、復水熱交換器117上の還流ヘッダー管が開き、熱交換流体は、
蒸発熱交換器12および復水熱交換器16の双方を通って流れる。
モジュール式冷凍ユニットが停止状態の場合は、ソレノイド弁136が作動して
抽気管134を開放し、供給へラダー管118および】23からの加圧流体は、
それぞれの弁126を作動させて、それぞれの還流導管122および127を閉
じる。このようにして、水は、蒸発熱交換器12および復水熱交換器16を通じ
ては流れなくなる。これらの熱交換器をそれぞれの水回路から除外することによ
って、循環ポンプ上の負荷は、低減され、従って、ポンプ速度を下げることによ
って、ポンプ電力を低減することができる。
ソレノイド作動弁が作用するのは、流体抽気ライン134のみであるため、密閉
の困難は回避され、弁136は、比較的簡単な構造のものとすることができる。
第5図に示す実施態様においては、第3.4図に示す種類の弁は使用せず、供給
導管121および還流導管122のそれぞれにおいて、2個のソレノイド作動螺
形弁137および138を使用している。この配置を使用する場合、螺形弁13
7および138は、供給導管121および還流導管122の双方を同時に直接閉
鎖するために作動される。これらの螺形弁137および138は、それぞれの導
管中に直接配置され、希望に応じて、単一の作動用ソレノイドで作動させてもよ
い。その代案として、これらの弁を空気圧または油圧作動としてもよい。
ここで説明した特定の実施態様では、冷水および復水の循環用に速度可変ポンプ
を用いているが、容量可変ポンプ、または、速度可変ポンプと容量可変ポンプと
の組合せを使用してもよい。代案として、水の循環のために、多段ポンプまたは
複数のポンプを使用することもでき、1個もしくはそれ以上の段階またはグルー
プにしたぞれぞれのポンプを停止させて、システムの変化で必要とされるのに応
じて水の流量を低減することもできる。
さらに、各ユニットのための復水熱交換器では空冷を用いてもよく、この場合に
は、この発明を、ユニットの冷却器側に応用することとなる。これとは逆に、加
熱のために、これらのユニットを使用してもよく、この場合には、特に、復水回
路にこの発明を適用することとなる。
、731a l□)
で
’、79 722 723
国際調査報告
Claims (17)
- 1.下記からなる加熱および/または冷却システム。 それぞれ少なくとも1個のコンプレッサー手段、1個の蒸発熱交換器および1個 の復水熱交換器を有する複数のモジュール式冷凍ユニット。蒸発熱交換器を通じ て熱交換流体を移送するための、各ユニット上に設けられた供給および還流流体 導管手段。前記の供給および還流流体導管手段は、それぞれの供給および還流マ ニホルド手段に連結されていて、システムの蒸発熱交換器が、マニホルド手段を 横切って平行に連結されるようにしている。熱交換流体をマニホルド手段を通じ て循環させるためのポンプ手段。前記ポンプ手段には、前記熱交換流体の流量を 変化させるためのポンプ制御手段が含まれる。および、供給および還流流体導管 手段のうち少なくとも1を選択的に閉じるための、各ユニットに接続された弁手 段。
- 2.クレーム1によるシステムであって、下記を含むもの。供給および還流マニ ホルド手段の間の圧力差を感知するための圧力差感知手段。前記ポンプ制御手段 は、所定の圧力差を維持するために、前記熱交換流体の流量を変化させるため、 前記感知手段に応じて作動する。
- 3.クレーム1または2によるシステムであって、下記を含むもの。システムの 操業パラメーターを監視し、モジュール式ユニット、ポンプ手段および各弁手段 を制御するためのマスター制御装置。前記マスター制御装置は、供給および還流 マニホルド手段に設けられた温度センサーから信号を受け取る。マニホルド温度 に応じてマスター制御装置によって作動または停止される各コンプレッサー手段 用のコンプレッサー接触器。および、それぞれの供給および/または還流流体導 管手段を閉鎖するために停止される、これらのユニットの弁手段を作動させるた めの手段。
- 4.クレーム3によるシステムであって、前記マスター制御装置は、マニホルド 温度の応じて、且つ、すべてのユニットがほぼ同じように動作するように、選ば れたコンプレッサー手段を作動させ、または停止させる。
- 5.クレーム1から4の何れか1つによるシステムであって、前記弁手段は、還 流流体導管手段のみを選択的に閉鎖するように、各ユニットに取り付けられてい る。
- 6.クレーム1から5の何れか1つによるシステムであって、さらに下記を含む もの。各ユニットの復水熱交換器に復水流体を移送する第2の供給および還流導 管手段。前記第2導管手段は、復水熱交換器が平行に連結されるように相互に連 結された復水流体マニホルドに連結されている。前記復水流体を循環させるため の第2ポンプ手段。前記第2ポンプ手段は、前記復水流体の流量を変化させるた めの第2ポンプ制動手段を有している。および、各ユニット上の第2供給および 還流導管手段のうち少なくとも1個を選択的に閉鎖する復水弁手段。
- 7.クレーム6によるシステムであって、前記第2ポンプ制御手段は、復水流体 供給マニホルドと還流マニホルドとの間の圧力差を感知する復水流体圧力差セン サーを含んでおり、センサーに応じて復水流体の流量を変化させて、所定の圧力 差を維持する。
- 8.クレーム6またはクレーム7によるシステムであって、前記復水流体は、冷 却塔を通って循環される。
- 9.クレーム1から8の何れか1つによるシステムであって、前記各弁手段は、 それぞれの還流流体導管手段中の弁座に対して、実質的に密封するように移動可 能な弁頭を有するサーボ弁、弁頭に連結されたピストン、供給マニホルド手段か ら前記ピストンに流体を移送するための圧力ライン、および、圧力ラインを選択 的に閉鎖するための密封手段。
- 10.クレーム9によるシステムであって、前記密封手段は、圧力ライン中のイ ンライン・ソレノイド弁からなる。
- 11.クレーム10によるシステムであって、前記ソレノイド弁は、通常は閉じ た弁であって、通電されると圧力ラインを開放する。
- 12.クレーム10またはクレーム11によるシステムであって、外部制御装置 が、それぞれのコンプレッサー手段の作動のための制御信号の有無に応じて、ソ レノイド弁またはコンプレッサー接触器の何れかに対して、電源電圧を切り換え る。
- 13.クレーム1から12の何れか1つによるシステムであって、前記ポンプ制 御手段は、前記ポンプ手段の速度を変化させるためのモーター速度制御手段から なる。
- 14.クレーム1から5の何れか1つによるシステムであって、前記復水熱交換 器は空冷熱交換器である。
- 15.下記からなる空調システム。それぞれ1個の蒸発器および1個の復水器を 含む冷凍回路中に少なくとも1個のコンプレッサーを有する複数のモジュール式 冷凍ユニット。給水および還流マニホルド管および水循環ポンプを含む冷水回路 。ポンプ・モーターの速度を制御するためのモーター速度制御装置。供給マニホ ルド管と還流マニホルドとの間の水圧差を感知するための圧力差センサー。所定 の感知圧力差に応じて、モーター速度制御装置に制御信号を供給するための圧力 差信号手段。冷水回路から蒸発器に関連する熱交換器まで水を移送して、熱交換 器が平行に連結されるようにする各蒸発器用の冷水供給および還流導管。各供給 および還流導管の少なくとも1個の中に設けられた弁。および、それぞれ少なく とも1個のコンプレッサーが停止された場合に弁を閉じるための弁作動手段。
- 16.クレーム15によるシステムであって、前記弁は、抽気管を通じて供給マ ニホルド水によって作動され抽気管中のソレノイド弁によって制御されるサーボ 弁である。
- 17.クレーム15またはクレーム16によるシステムであって、測温装置が供 給および還流マニホルド管中の水温を測定し、マスター制御装置が、測定された 温度、および、温度の増減を実施するための予めプログラムされた指令に応じて 、システムのコンプレッサーを作動させたり、停止させたりし、同時に、それぞ れ弁作動手段を停止させたり、作動させたりする。
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